Amb l'expansió de les noves tecnologies energètiques a entorns extrems com ara latituds altes i altituds elevades, les bateries criogèniques s'han convertit en un centre d'atenció en el camp energètic a causa de la seva capacitat per mantenir la capacitat útil i la potència de sortida en condicions fredes. El seu principi de funcionament bàsic rau a superar els reptes causats per les baixes temperatures, com ara la conducció d'ions deteriorada, les reaccions interfacials lentes i la disminució de l'estabilitat del material. Mitjançant l'optimització multi-dimensional del sistema electroquímic, aconsegueixen una conversió i un emmagatzematge eficients d'energia en condicions extremes.
En entorns de baixa-temperatura, la degradació del rendiment electroquímic de les bateries tradicionals prové principalment de tres colls d'ampolla: en primer lloc, la viscositat de l'electròlit augmenta exponencialment amb la disminució de la temperatura, provocant una disminució significativa de la taxa de migració dels ions i, en conseqüència, una reducció significativa de la conductivitat; en segon lloc, la resistència a la transferència de càrrega a la interfície d'electròlit del material de l'elèctrode-, la cinètica d'inserció/extracció d'ions de liti- lenta i la polarització intensificada; i tercer, les baixes temperatures poden induir distorsions estructurals en els materials dels elèctrodes o augmentar les reaccions laterals, debilitant encara més l'estabilitat del cicle. Les bateries criogèniques superen sistemàticament aquests reptes mitjançant el disseny de materials i la innovació de mecanismes.
La innovació en el sistema d'electròlits és l'avenç principal. Mitjançant la construcció de sistemes de dissolvents de -congelació-de baix punt (com una barreja de carbonat d'etilè i carbonat de fluoroetilè) o la introducció de sals de liti altament dissociables (com la bis(fluorosulfonil)imida de liti), el punt de congelació de l'electròlit es pot reduir eficaçment i el nombre de transferència iònica augmenta, fins i tot augmentar, fins i tot mantenir un grau de transferència d'ions elevat, fins i tot augmentar la conductivitat d'ions. una garantia fonamental per al transport de càrrega. Alguns electròlits d'estat sòlid amplien encara més la seva finestra electroquímica i el seu rang de temperatura mitjançant l'amortiment de la impedància del límit del gra a través d'una xarxa de matriu de polímer flexible.
El control interfacial dels materials dels elèctrodes és crucial per millorar el rendiment. La nanotecnologia i les tècniques de recobriment de carboni (com ara les capes compostes de grafè) al costat de l'elèctrode positiu poden escurçar el camí de difusió d'ions de liti-i reduir la impedància interfacial; Els dissenys de materials compostos basats en pre-litiació o silici- a l'elèctrode negatiu poden alleujar els problemes d'expansió de volum i de polarització d'intercalació de liti a baixes temperatures. Simultàniament, la formació d'una pel·lícula d'interfase d'electròlit sòlid (SEI) prima i densa induïda per agents formadors de pel·lícula pot suprimir la descomposició d'electròlits i mantenir la conductivitat iònica, millorant significativament la vida del cicle a baixa -temperatura.
El disseny auxiliar a nivell d'integració del sistema és igualment indispensable. Algunes bateries criogèniques integren mòduls d'auto-escalfament, que utilitzen corrent polsat per excitar l'escalfament intern de Joule o elements de termistor acoblats per aconseguir un control de bucle tancat-de l'"inici-{4}} escalfament autònom-" criogènic, evitant la pèrdua d'energia per l'escalfament extern. El sistema de gestió de bateries (BMS) ajusta dinàmicament les estratègies de càrrega i descàrrega per mitigar el risc de formació de dendrita de liti a baixes temperatures, garantint la seguretat operativa.
Actualment, les bateries criogèniques han aconseguit avenços en el rendiment, mantenint més del 80% de capacitat a -30 graus i permetent l'inici normal-a -40 graus, i s'estan aplicant gradualment a l'exploració polar, l'emmagatzematge d'energia en regions d'altitud i fred i equips especials. Amb el continu avenç de l'enginyeria d'interfícies i la gestió tèrmica intel·ligent, s'espera que es converteixin en una tecnologia de suport bàsica per al subministrament d'energia en entorns extrems.
